背鳍和尾鳍协同推进的仿旗鱼机器人及其耦合运动方法

1.本发明属于水下机器人应用技术领域，具体涉及一种背鳍与尾鳍协同推进的仿旗鱼机器人及其耦合运动方法，可作为水下平台应用于生态观测、水下勘探、侦察等领域，具有广阔的应用前景。
技术背景
2.在海洋探索中，人的潜水受到水流速度、水深、水质等条件的限制，且水下环境相对恶劣。因此，水下机器人正逐渐取代了人类，去完成许多高危或人力无法操作的水下工作。水下生物长期在水下生存，具有推进效率高、速度快、机动性强等天然优势。而鱼便是其中的典型代表，因此设计机器鱼作为水下平台具有重要意义。
3.在游动性能方面，旗鱼在鱼类中位列前茅。因此本发明是以旗鱼为仿生对象，使设计出的机器鱼可获得高游动性能，为探索和开发海洋资源提供更有效的平台。在观测旗鱼的游动过程中，我们发现旗鱼的背鳍与尾鳍的协同配合是旗鱼有着高游动性能的奥秘之一。因此设计背鳍和尾鳍协同推进的仿旗鱼机器人有重要的研究意义和工程价值。
4.张润锋提出了一种多模驱动仿生机器鱼(专利申请号：202020967060.1)，其具有风帆驱动模式。该模式下仅将背鳍发挥风帆的作用并未与尾鳍摆动相配合，达不到更好的运动效果。此外，该发明的结构决定了背鳍的尺寸不大，进一步限制了背鳍的作用。中国科学院自动化研究所提出了一种面向环境监控的仿生机器鱼(专利申请号：201921369826.x、201910774961.0)，提及了背鳍。但背鳍无自由度，其作用仅为gps天线与无线通信天线提供安装位置，具有大的局限性。中国科学院自动化研究所提出了具有嵌入式视觉的多控制面机器鱼(专利申请号：201110139019.0)提及利用背鳍等多种鳍的平衡作用来保证鱼头的稳定。然而，背鳍仅有一个自由度，且无法折叠到机器鱼体内，增大了机器鱼游动时的阻力，增加了能耗且降低了游动速度。深圳市百慕大工业有限公司提出了一种仿生鱼尾水下机器人(专利申请号：202011123154.1)。其也是背鳍仅有一个摆动的自由度，具有前文所提及专利的缺陷。总之，目前关于面向机器鱼的背鳍和尾鳍协同推进的内容尚未得到有效研究。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种具有高游动性能、环境适应能力强的水下探索平台。以旗鱼为仿生对象，设计一种背鳍和尾鳍协同推进的仿旗鱼机器人，通过背鳍和尾鳍的协同推进来实现高游动性能，并提供背鳍和尾鳍的耦合运动方法。
6.上述背鳍和尾鳍协同推进的仿旗鱼机器人，其特征在于：由鱼前部分、背鳍推进结构、尾鳍推进结构组成；
7.上述鱼前部分主要包括鱼前部下腔体和鱼前部上腔体，鱼前部盖以及外形呈锥形具有减小水阻力作用的鱼喙；也包括安装于鱼前部下腔体和鱼前部上腔体之间的锂电池、控制板、重心调节装置；还包括安装于鱼前部下腔体与鱼前部盖之间的陀螺仪、红外避障传感器、摄像头以及照明设备，共同组成机器人传感器部分；鱼前部分主要容纳控制元器件以
及传感器，起到控制和感知的作用；鱼前部分整体具有流线型，有效减小了水阻力，提高游动速度，降低能量消耗。
8.上述背鳍推进结构主要包括背鳍、滚筒上盖、滚筒体、展开折叠结构、背部防水舵机、传动件、舵机盘；其中滚筒体安装于鱼前部上腔体中并通过前部轴承、后部轴承与其配合；展开折叠结构通过螺丝固定在滚筒体侧面上，滚筒上盖通过螺丝固定在滚筒体上面，并留有槽供背鳍、展开折叠结构展开出来；背鳍通过螺丝、螺母与垫片的组合安装在展开折叠结构上；背部防水舵机固定于鱼前部上腔体中，滚筒体通过传动件、舵机盘与背部防水舵机的输出轴相连，背部防水舵机带动滚筒体往复摆动，使滚筒体及与之固定的结构有不同的摆动幅度，最后带动背鳍往复摆动；背鳍推进结构拥有两个自由度且互不干涉，自由度一为旋转的自由度，即滚筒体等与之固定的结构的往复摆动；自由度二为展开折叠的自由度，即展开折叠结构的完全展开与折叠；这为背鳍提供两个独立自由度，使其灵活运动，有效提高了仿旗鱼机器人的灵活性；
9.上述展开折叠结构主要包括电机、电机传动杆、螺母滑块、固定杆、随动杆、n个相互平行的连杆，n为4至8的自然数；其中固定杆通过螺丝、螺母与垫片的组合固定在滚筒体上保持不动，n个连杆均通过螺丝与固定杆、随动杆连接，组成单自由度的多连杆机构；电机传动杆一端与螺母滑块相连，另一端与n个相互平行的连杆中的一个连杆相连；电机上有螺纹杆，它与螺母滑块中的螺母相配合，当电机转动时带动螺母滑块向前和向后移动，进而带动电机传动杆移动，控制展开折叠结构的展开与折叠，使展开折叠结构有不同的展开折叠程度；展开折叠结构为背鳍推进结构提供了一个自由度，即展开折叠的自由度；
10.上述尾鳍推进结构共有m个关节，m为3至5的自然数，每个关节均包括关节上腔体、关节下腔体、关节防水舵机；关节防水舵机固定于关节下腔体中，关节上腔体与关节下腔体通过螺钉固定；关节下腔体的底端通过轴承与前一个关节的关节下腔体或前面的机器人结构相连；关节防水舵机的舵机盘与前一个关节的关节上腔体顶端或者前面的机器人结构相连；尾鳍通过螺丝与最后一个关节相连；尾鳍推进结构拥有多个关节，其类似鱼骨的多个关节，摆动起来更加接近真鱼，有效提高了仿旗鱼机器人的灵活性；
11.上述重心调节装置主要包括重心调节电机、滑块、螺母、直线轴承、光轴、丝杠、配重箱；
12.其中螺母和直线轴承安装于滑块中；滑块通过直线轴承安装于光轴上；丝杆与重心调节电机输出轴相连，丝杆与滑块中的螺母形成丝杆螺母副；配重箱固定在滑块上；配重箱中放置铅块，并通过3m胶固定在滑块上；利用丝杆螺母副，重心调节电机转动时，会带动滑块移动，进而带动配重箱与铅块的移动，最终实现重心的调整；两个光轴与一个丝杆穿过滑块，固定在鱼体内，防止滑块及配重箱左右上下窜动，提高了重心调节装置的稳定性；重心调节装置结构简单，安装容易，重心调节的可靠性高；
13.上述机器人传感器部分，其特征在于：锂电池与配重片安装在鱼前部下腔体的底部区域，以使重心降低；陀螺仪固定在控制板上，用于获得机器鱼游动时的姿态；红外避障传感器安装在鱼前部下腔体的前部区域，用于实时测量与障碍物的距离；摄像头安装在鱼前部下腔体的前侧腔室中，并有两个照明设备位于两侧，为机器鱼提供照明；当发现陀螺仪发现机器人运动时出现了偏航、侧倾、下垂或上仰等异常问题时，将协调尾鳍、背鳍以及重心调节装置使机器人恢复正常姿态；红外避障传感器使机器鱼在遭遇障碍物时，适时做出
避障动作；摄像头实时拍摄水中的画面并将图像传递过来，同时两个照明设备保证了在黑暗环境下的拍摄效果。多传感器集成在机器人身上，有效提高了机器人执行任务的能力，增加了其作为水下探索平台的实用性；
14.背鳍推进结构、尾鳍推进结构均留有防水航空插头的母头，而鱼前部分留有两个防水航空插头的公头，分别上述两者相对应；防水航空插头保证了各组成部分的独立性以及控制线连接时的防水性；由于每部分均为单独的模块，独立进行实验或者损坏时进行快速更换，方便机器人的维护，提升效率，使其更适合作为水下研究平台。
15.本发明所述的背鳍和尾鳍的耦合运动方法，其特征在于包括以下过程：
16.(一)背鳍展开折叠运动过程：当电机转动时螺母滑块向前或向后移动，带动展开折叠结构展开或折叠。
17.(二)背鳍和尾鳍协同运动过程：
18.运动模式一为快速前进运动，在该运动模式下，展开折叠结构完全折叠在机器人身体内，使背鳍折叠起来，由尾鳍推进结构提供推力；由于背鳍被折叠起来，减小了机器人前进时的阻力，结合机器人流线型外形，使机器人获得高的推进速度；
19.运动模式二为高机动运动，在该运动模式下，展开折叠结构展开，背鳍与尾鳍的协调配合；背鳍展开时与尾鳍的协调配合有以下两种运动方式：
20.运动方式2-1：当仿旗鱼机器人左转弯时，背鳍摆到身体左侧不动，尾鳍左右往复摆动或在偏右侧往复摆动；当仿旗鱼机器人右转弯时，背鳍摆到身体右侧不动，尾鳍左右往复摆动或在偏左侧往复摆动；以上两种情况，尾鳍提供推进力，背鳍均起到类似方向舵的作用，使转向更加快速、转弯半径更小；背部防水舵机驱动背鳍的摆动，通过背部防水舵机调节背鳍的摆动幅度，因此背鳍摆到身体左或右侧不动时，背鳍有多种不同的幅度对应的不动位置；展开折叠结构调节背鳍的展开折叠程度，因此当背鳍展开时，背鳍拥有多种不同的展开折叠程度；这与尾鳍相协调配合，结合背鳍不动位置与展开折叠程度这两个参数，进行排列组合，形成更多种具体运动方式；这里偏左或右侧往复摆动是指往复摆动时的中轴线的位置偏左或右；
21.运动方式2-2：当仿旗鱼机器人左转弯时，背鳍偏左侧往复摆动，尾鳍左右往复摆动或在偏右侧往复摆动；当仿旗鱼机器人右转弯时，背鳍偏右侧往复摆动，尾鳍左右往复摆动或在偏左侧往复摆动；以上两种情况，尾鳍提供主要推进力，背鳍提供少量推进力且兼备一定的类似方向舵的作用，使转向更加快速、转弯半径更小；背部防水舵机(11)驱动背鳍的摆动，通过背部防水舵机(11)调节背鳍的摆动幅度，背鳍有多种不同的摆动幅度；展开折叠结构(6)调节背鳍的展开折叠程度，因此当背鳍展开时，背鳍拥有多种不同的展开折叠程度；背鳍摆动的相位与尾鳍的摆动的相位存在差异时，形成不同的相位差；背鳍与尾鳍相协调配合，结合背鳍摆动幅度、展开折叠程度与相位差这三个参数，进行排列组合，形成更多种具体运动方式；
22.这两种运动模式针对不同的水下环境进行应用，运动模式一，即快速前进运动，使仿旗鱼机器人拥有高的游动速度，适合应用于水流较平稳、障碍物少的环境，能够快速完成任务；运动模式二，即高机动运动，使仿旗鱼机器人拥有高灵活性，适合应用于水流较湍急、障碍物多的环境，提高了生存能力；
23.(三)下潜运动与上浮运动过程：
24.在该运动模式下，将尾鳍推进结构与重心调节装置相结合，具有可靠性高的优势，有以下两种运动方式：
25.运动方式3-1：斜线下潜上浮运动，在该运动方式下，对于下潜运动，重心调节电机转动使配重箱向前运动，进而使机器鱼的头部下垂，接着尾鳍往复摆动使机器人朝前下方游动，最终完成下潜运动；对于上浮运动，重心调节电机转动使配重箱向后运动，进而使机器鱼的头部上仰，接着尾鳍往复摆动使机器人朝前上方游动，最终完成下上浮运动；
26.运动方式3-2：螺旋线下潜上浮运动，在该运动方式下，对于下潜运动，重心调节电机转动使配重箱向前运动，进而使机器鱼的头部不断下垂，同时尾鳍偏右或左侧往复摆动使机器人发生转向，最终完成下潜运动；尾鳍偏右侧往复摆动为逆时针螺旋下潜运动；尾鳍偏左侧往复摆动为顺时针螺旋下潜运动；对于上浮运动，重心调节电机转动使配重箱向后运动，进而使机器鱼的头部上仰，同时尾鳍偏右或左侧往复摆动使机器人发生转向，最终完成上浮运动；尾鳍偏右侧往复摆动为逆时针螺旋上浮运动；尾鳍偏左侧往复摆动为顺时针螺旋上浮运动。
27.本发明所述的背鳍和尾鳍的耦合运动方法，其特征在于包括以下过程：
28.针对背鳍和尾鳍协同运动过程的运动模式二，即高机动运动，在经过大量实验后，以下参数使仿旗鱼机器人的设计与控制更为方便，并达到很好的控制效果；若记滚筒体(5)绕自身轴线摆动的角度为摆动幅度角，用α表示，α取值范围如下：α＝0、0＜α＜30
°
、α＝30
°
、30
°
＜α＜60
°
与α＝60
°
，分对应背鳍的摆动幅度为静止、小幅度摆动、中幅度摆动、大幅度摆动与完全摆动；若以展开折叠结构(6)的n个相互平行的连杆中最前端的连杆与仿旗鱼机器人的中轴线相组成的夹角为衡量标准，记为展开折叠角，用β表示，β取值范围如下：β＝0、0＜β＜30
°
、β＝30
°
、30
°
＜β＜60
°
与β＝60
°
，分对应背鳍(1)的展开程度为完全折叠、小部分展开、半展开、大部分展开与完全展开；背鳍与尾鳍摆动时存在的相位差，用表示，n＝0、1、2
…
、k-1,k≥1且l可被360
°
整除；
29.针对运动模式二的运动方式2-1，当背鳍摆到身体左或右侧不动时，背鳍有四种不同的幅度对应的不动位置，即0＜α＜30
°
、α＝30
°
、30
°
＜α＜60
°
与α＝60
°
；当背鳍展开时，背鳍拥有四种不同的展开折叠程度，即0＜β＜30
°
、β＝30
°
、30
°
＜β＜60
°
与β＝60
°
，分别为小部分展开、半展开、大部分展开与完全展开，这均与尾鳍相协调配合，结合背鳍不动位置与展开折叠程度这两个参数，进行排列组合，共有4
×
4＝16种具体运动方式；
30.针对运动模式二的运动方式2-2，当背鳍摆动时，背鳍拥有四种不同的幅度，即0＜α＜30
°
、α＝30
°
、30
°
＜α＜60
°
与α＝60
°
，分对应背鳍的摆动幅度为静止、小幅度摆动、中幅度摆动、大幅度摆动与完全摆动；背鳍展开时，背鳍拥有四种不同的展开折叠程度，即0＜β＜30
°
、β＝30
°
、30
°
＜β＜60
°
与β＝60
°
，分别为小部分展开、半展开、大部分展开与完全展开；背鳍摆动与尾鳍摆动存在的不同的相位差共有k个。背鳍与尾鳍相协调配合，结合背鳍摆动幅度、展开折叠程度与相位差这三个参数，进行排列组合，共有4
×4×
k＝16
·
k种具体运动方式，若l＝30
°
，则k＝12，即有4
×4×
12＝192种具体运动方式。
31.本发明与现有技术相比有如下优点：
32.1、本发明能够实现仿旗鱼机器人的背鳍与尾鳍的协同运动，并通过背鳍与尾鳍的耦合运动有效提高了仿旗鱼机器人的游动速度以及机动性；
33.2、在本发明中，不仅尾鳍部分拥有多个关节，而且背鳍拥有双自由度，有效模拟了鱼的运动，为机器人平台提供了非常多的运动方式，能够面对不同水下环境，提高了仿旗鱼机器人的生存能力和环境适应能力；
34.3、本发明使用多个传感器，当机器人出现偏航、侧倾、下垂或上仰等异常问题时，能够协调机器人的运动使其恢复正常；此外也获得有效的环境信息如障碍物信息、图像等，更具有实用价值。
附图说明
35.图1是本发明所述的背鳍和尾鳍协同推进的仿旗鱼机器人的三维图；
36.图2是本发明所述的背鳍和尾鳍协同推进的仿旗鱼机器人的爆炸图；
37.图3是本发明所述的背鳍和尾鳍协同推进的仿旗鱼机器人的背鳍推进结构的三维图；
38.图4是本发明所述的背鳍和尾鳍协同推进的仿旗鱼机器人的背鳍推进结构的爆炸图；
39.图5是本发明所述的背鳍和尾鳍协同推进的仿旗鱼机器人的展开折叠结构的爆炸图；
40.图6是本发明所述的背鳍和尾鳍协同推进的仿旗鱼机器人的尾鳍推进结构的三维图；
41.图7是本发明所述的背鳍和尾鳍协同推进的仿旗鱼机器人的尾鳍推进结构的爆炸图；
42.图8是本发明所述的背鳍和尾鳍协同推进的仿旗鱼机器人的鱼前部分的三维图；
43.图9是本发明所述的背鳍和尾鳍协同推进的仿旗鱼机器人的鱼前部分的爆炸图；
44.图10是本发明所述的背鳍和尾鳍协同推进的仿旗鱼机器人的重心调节结构的爆炸图；
45.图11是本发明所述的背鳍和尾鳍协同推进的仿旗鱼机器人的展开折叠结构的展开三维图；
46.图12是本发明所述的背鳍和尾鳍协同推进的仿旗鱼机器人的展开折叠结构的折叠三维图；
47.图13是本发明所述的背鳍和尾鳍协同推进的仿旗鱼机器人的背鳍折叠的三维图；
48.图14是本发明所述的背鳍和尾鳍协同推进的仿旗鱼机器人的背鳍和尾鳍协同运动模式一的示意图；
49.图15是本发明所述的背鳍和尾鳍协同推进的仿旗鱼机器人的背鳍和尾鳍协同运动模式二的示意图；
50.图16是本发明所述的背鳍和尾鳍协同推进的仿旗鱼机器人的下潜运动的示意图；
51.图17是本发明所述的背鳍和尾鳍协同推进的仿旗鱼机器人的上浮运动的示意图。
52.图1-17中标号名称：a、背鳍推进结构；b、尾鳍推进结构；c、鱼前部分；1、背鳍；2、后部轴承；3、背鳍后盖；4、滚筒上盖；5、滚筒体；6、展开折叠结构；7、背鳍前盖；8、前部轴承；9、传动件；10、舵机盘；11、背部防水舵机；12、电机；13、电机传动杆；14、连杆1；15、连杆2；16、固定杆；17、连杆3；18、连杆4；19、随动杆；20、螺母滑块；21、尾鳍；22、后关节上腔体；23、中
关节上腔体；24、前关节上腔体；25、尾部防水舵机；26、前关节下腔体；27、尾部轴承；28、中关节下腔体；29、后关节下腔体；30、鱼前部下腔体；31、锂电池；32、控制板；33、陀螺仪；34、鱼前部上腔体；35、鱼前部盖；36、红外避障传感器；37、重心调节装置；38、摄像头；39、鱼喙；40、重心调节电机；41、滑块挡板；42、配重箱；43、螺母；44、直线轴承；45、滑块；46、光轴。
具体实施方式
53.下面结合附图和具体实施例对本发明进一步详细说明：
54.结合图1-17，本发明的目的在于提供一种背鳍和尾鳍协同推进的仿旗鱼机器人及其耦合运动方法，其特征在于：共由鱼前部分c、背鳍推进结构a和尾鳍推进结构b组成。鱼前部分c和背鳍推进结构a之间以及鱼前部分c和尾鳍推进结构b之间均采用螺丝固定。背鳍推进结构a和尾鳍推进结构b均留有防水航空插头的母头，鱼前部分c留有两个防水航空插头的公头，分别与背鳍推进结构a和尾鳍推进结构b相对应。防水航空插头的使用确保了各组成部分的独立性以及控制线连接时的防水性。仿旗鱼机器人整体上采用模块化设计，各组成部分包括鱼前部分c、背鳍推进结构a和尾鳍推进结构b均为单独的模块，能够独立进行实验或者损坏时可快速更换，方便机器人的维护，提升效率，使其更适合作为水下研究平台。
55.结合图3-4，本实施例为背鳍和尾鳍协同推进的仿旗鱼机器人的背鳍推进结构a，主要包括背鳍1、后部轴承2、背鳍后盖3、滚筒上盖4、滚筒体5、展开折叠结构6、背鳍前盖7、前部轴承8、传动件9、舵机盘10、背部防水舵机11。其中滚筒体5安装于鱼前部上腔体34中并通过前部轴承8、后部轴承2与其配合；展开折叠结构6通过螺丝固定在滚筒体5侧面上，滚筒上盖4通过螺丝固定在滚筒体5上面，并留有槽供背鳍1、展开折叠结构6展开出来；背鳍1通过螺丝、螺母与垫片的组合安装在展开折叠结构6上；背部防水舵机11固定于鱼前部上腔体34中，滚筒体5通过传动件9、舵机盘10与背部防水舵机11的输出轴相连，背部防水舵机11带动滚筒体5往复摆动，使滚筒体5及与之固定的结构有不同的摆动幅度，最后带动背鳍往复摆动。
56.结合图5，本实施例为背鳍和尾鳍协同推进的仿旗鱼机器人的展开折叠结构6，主要包括电机12、电机传动杆13、连杆114、连杆215、固定杆16、连杆317、连杆418、随动杆19、螺母滑块20；其中固定杆16通过螺丝、螺母与垫片的组合固定在滚筒体5上保持不动，n个连杆均通过螺丝与固定杆16、随动杆19连接，组成单自由度的多连杆机构；以连杆的数量n取为4为例，连杆114、连杆215、连杆317、连杆418均通过螺丝与固定杆16、随动杆19连接，组成单自由度的多连杆机构。电机传动杆13一端与螺母滑块20相连，另一端与n个相互平行的连杆中的一个连杆相连；电机12上有螺纹杆，它与螺母滑块20中的螺母相配合，当电机12转动时带动螺母滑块20向前和向后移动，进而带动电机传动杆13移动，控制展开折叠结构6的展开与折叠，使展开折叠结构6有不同的展开折叠程度；
57.结合图6-7，本实施例为背鳍和尾鳍协同推进的仿旗鱼机器人的尾鳍推进结构b，主要包括尾鳍21、后关节上腔体22、中关节上腔体23、前关节上腔体24、尾部防水舵机25、前关节下腔体26、尾部轴承27、中关节下腔体28、后关节下腔体29；上述尾鳍推进结构b共有m个关节，m为3至5的自然数，每个关节均包括关节上腔体、关节下腔体、关节防水舵机25；关节防水舵机25固定于关节下腔体中，关节上腔体与关节下腔体通过螺钉固定；关节下腔体的底端通过轴承与前一个关节的关节下腔体或前面的机器人结构相连；关节防水舵机25的
舵机盘与前一个关节的关节上腔体顶端或者前面的机器人结构相连；以关节的数量m取为3为例，3个关节分为前关节、中关节以及后关节，各关节的下腔体均开有一槽，用作舵机控制线的出口和方便关节的转动；再以中关节为例，尾部防水舵机25卡入中关节下腔体28中，并通过螺丝固定，中关节上腔体23与中关节下腔体28同样通过螺钉固定，尾部防水舵机25的控制线从中关节下腔体28预留的槽口伸出。此外，中关节下腔体28的底端装有轴承，与前关节下腔体26相连；尾部防水舵机25的舵机盘与前关节上腔体24顶端通过螺丝相连。当尾部防水舵机25的舵机盘转动时，会带动中关节及其后的结构转动。其他前关节、后关节的连接与此类似，故不再赘述；尾鳍21通过螺丝与后关节相连。
58.结合图8-9，本实施例为背鳍和尾鳍协同推进的仿旗鱼机器人的鱼前部分c，包括鱼前部下腔体30、锂电池31、控制板32、陀螺仪33、鱼前部上腔体34、鱼前部盖35、红外避障传感器36、重心调节装置37、摄像头38、鱼喙39。锂电池31与配重片安装在鱼前部下腔体30的底部区域，使重心较低。陀螺仪33固定在控制板32上，用于获得机器鱼游动时的姿态；红外避障传感器36安装在鱼前部下腔体30的前部区域，用于实时测量与障碍物的距离；摄像头38安装在鱼前部下腔体30的前侧腔室中，并有两个照明设备位于两侧，为机器鱼在黑暗中游动提供照明。鱼喙位于机器鱼最前侧，通过十字键与鱼前部下腔体30相连接，其外形呈锥形，可有效减小水阻力。
59.结合图10，本实施例为背鳍和尾鳍协同推进的仿旗鱼机器人的重心调节装置37，主要包括重心调节电机40、滑块挡板41、配重箱42、螺母43、直线轴承44、滑块45、光轴46；重心调节电机40通过胶固定在滑块挡板41上；螺母43和两直线轴承44安装于滑块45中；滑块45通过直线轴承44安装于光轴46上；丝杆与重心调节电机40输出轴相连，丝杆与滑块45中的螺母43形成丝杆螺母副；配重箱42上放置铅块，并固定在滑块45上；当重心调节电机40转动时，会带动滑块45移动，进而带动配重箱42与铅块的移动，最终实现重心的调整。
60.结合图11-17，本实施例为背鳍和尾鳍协同推进的仿旗鱼机器人的耦合运动方法，包括以下过程：
61.一背鳍展开折叠运动过程：结合图11-13，本实施例为背鳍和尾鳍协同推进的仿旗鱼机器人的背鳍展开折叠运动方法，包括以下过程：
62.当电机12转动时螺母滑块20向前或向后移动，带动展开折叠结构6展开或折叠，最后实现仿旗鱼机器人的背鳍的展开与折叠；
63.二背鳍和尾鳍协同运动过程：
64.结合图14，本实施例为背鳍和尾鳍协同推进的仿旗鱼机器人的背鳍和尾鳍协同运动模式一，其为快速前进运动；在该运动模式下，展开折叠结构6完全折叠在机器人身体内，使背鳍折叠起来，由尾鳍推进结构b提供推力；由于背鳍被折叠起来，减小了机器人前进时的阻力，结合机器人流线型外形，使机器人获得高的推进速度；
65.结合图15，本实施例为背鳍和尾鳍协同推进的仿旗鱼机器人的背鳍和尾鳍协同运动运动模式二，其为高机动运动；在该运动模式下，展开折叠结构6展开，背鳍与尾鳍的协调配合；背鳍展开时与尾鳍的协调配合有以下两种运动方式：
66.运动方式2-1：当仿旗鱼机器人左转弯时，背鳍摆到身体左侧不动，尾鳍左右往复摆动或在偏右侧往复摆动；当仿旗鱼机器人右转弯时，背鳍摆到身体右侧不动，尾鳍左右往复摆动或在偏左侧往复摆动；以上两种情况，尾鳍提供推进力，背鳍均起到类似方向舵的作
用，使转向更加快速、转弯半径更小；背部防水舵机11驱动背鳍的摆动，通过背部防水舵机11调节背鳍的摆动幅度，因此背鳍摆到身体左或右侧不动时，背鳍有多种不同的幅度对应的不动位置；展开折叠结构6调节背鳍的展开折叠程度，因此当背鳍展开时，背鳍拥有多种不同的展开折叠程度；这与尾鳍相协调配合，结合背鳍不动位置与展开折叠程度这两个参数，进行排列组合，形成更多种具体运动方式；这里偏左或右侧往复摆动是指往复摆动时的中轴线的位置偏左或右；
67.运动方式2-2：当仿旗鱼机器人左转弯时，背鳍偏左侧往复摆动，尾鳍左右往复摆动或在偏右侧往复摆动；当仿旗鱼机器人右转弯时，背鳍偏右侧往复摆动，尾鳍左右往复摆动或在偏左侧往复摆动；以上两种情况，尾鳍提供主要推进力，背鳍提供少量推进力且兼备一定的类似方向舵的作用，使转向更加快速、转弯半径更小；背部防水舵机11驱动背鳍的摆动，通过背部防水舵机11调节背鳍的摆动幅度，背鳍有多种不同的摆动幅度；展开折叠结构6调节背鳍的展开折叠程度，因此当背鳍展开时，背鳍拥有多种不同的展开折叠程度；背鳍摆动的相位与尾鳍的摆动的相位存在差异时，形成不同的相位差；背鳍与尾鳍相协调配合，结合背鳍摆动幅度、展开折叠程度与相位差这三个参数，进行排列组合，形成更多种具体运动方式；
68.三下潜运动与上浮运动过程：
69.结合图16-17，本实施例为背鳍和尾鳍协同推进的仿旗鱼机器人的下潜运动与上浮运动；在该运动模式下，将尾鳍推进结构b与重心调节装置37相结合有以下两种运动方式：
70.运动方式3-1：斜线下潜上浮运动，在该运动方式下，对于下潜运动，重心调节电机40转动使配重箱42向前运动，进而使机器鱼的头部下垂，接着尾鳍往复摆动使机器人朝前下方游动，最终完成下潜运动；对于上浮运动，重心调节电机40转动使配重箱42向后运动，进而使机器鱼的头部上仰，接着尾鳍往复摆动使机器人朝前上方游动，最终完成下上浮运动；
71.运动方式3-2：螺旋线下潜上浮运动，在该运动方式下，对于下潜运动，重心调节电机40转动使配重箱42向前运动，进而使机器鱼的头部不断下垂，同时尾鳍偏右或左侧往复摆动使机器人发生转向，最终完成下潜运动；尾鳍偏右侧往复摆动为逆时针螺旋下潜运动；尾鳍偏左侧往复摆动为顺时针螺旋下潜运动；对于上浮运动，重心调节电机40转动使配重箱42向后运动，进而使机器鱼的头部上仰，同时尾鳍偏右或左侧往复摆动使机器人发生转向，最终完成上浮运动；尾鳍偏右侧往复摆动为逆时针螺旋上浮运动；尾鳍偏左侧往复摆动为顺时针螺旋上浮运动。
72.结合图14-15，本实施例为背鳍和尾鳍协同推进的仿旗鱼机器人的耦合运动方法，包括以下具体过程：
73.针对背鳍和尾鳍协同运动过程的运动模式二，即高机动运动，若记滚筒体5绕自身轴线摆动的角度为摆动幅度角，用α表示，α取值范围如下：α＝0、0＜α＜30
°
、α＝30
°
、30
°
＜α＜60
°
与α＝60
°
，分对应背鳍的摆动幅度为静止、小幅度摆动、中幅度摆动、大幅度摆动与完全摆动；若以展开折叠结构6的n个相互平行的连杆中最前端的连杆与仿旗鱼机器人的中轴线相组成的夹角为衡量标准，记为展开折叠角，用β表示，β取值范围如下：β＝0、0＜β＜30
°
、β＝30
°
、30
°
＜β＜60
°
与β＝60
°
，分对应背鳍1的展开程度为完全折叠、小部分展开、半展开、
大部分展开与完全展开；背鳍与尾鳍摆动时存在的相位差，用表示，n＝0、1、2
…
、k-1,k≥1且l可被360
°
整除；
74.针对运动模式二的运动方式2-1，当背鳍摆到身体左或右侧不动时，背鳍有四种不同的幅度对应的不动位置，即0＜α＜30
°
、α＝30
°
、30
°
＜α＜60
°
与α＝60
°
；当背鳍展开时，背鳍拥有四种不同的展开折叠程度，即0＜β＜30
°
、β＝30
°
、30
°
＜β＜60
°
与β＝60
°
，分别为小部分展开、半展开、大部分展开与完全展开，这均与尾鳍相协调配合，结合背鳍不动位置与展开折叠程度这两个参数，进行排列组合，共有4
×
4＝16种具体运动方式；
75.针对运动模式二的运动方式2-2，当背鳍摆动时，背鳍拥有四种不同的幅度，即0＜α＜30
°
、α＝30
°
、30
°
＜α＜60
°
与α＝60
°
，分对应背鳍的摆动幅度为静止、小幅度摆动、中幅度摆动、大幅度摆动与完全摆动；背鳍展开时，背鳍拥有四种不同的展开折叠程度，即0＜β＜30
°
、β＝30
°
、30
°
＜β＜60
°
与β＝60
°
，分别为小部分展开、半展开、大部分展开与完全展开；背鳍摆动与尾鳍摆动存在的不同的相位差共有k个。背鳍与尾鳍相协调配合，结合背鳍摆动幅度、展开折叠程度与相位差这三个参数，进行排列组合，共有4
×4×
k＝16
·
k种具体运动方式，若l＝30
°
，则k＝12，即有4
×4×
12＝192种具体运动方式。

技术特征：
1.一种背鳍和尾鳍协同推进的仿旗鱼机器人，其特征在于：由鱼前部分(c)、背鳍推进结构(a)、尾鳍推进结构(b)组成；上述鱼前部分(c)主要包括鱼前部下腔体(30)和鱼前部上腔体(34)，鱼前部盖(35)以及外形呈锥形具有减小水阻力作用的鱼喙(39)；也包括安装于鱼前部下腔体(30)和鱼前部上腔体(34)之间的锂电池(31)、控制板(32)、重心调节装置(37)；还包括安装于鱼前部下腔体(30)与鱼前部盖(35)之间的陀螺仪(33)、红外避障传感器(36)、摄像头(38)以及照明设备；上述背鳍推进结构(a)主要包括背鳍(1)、滚筒上盖(4)、滚筒体(5)、展开折叠结构(6)、背部防水舵机(11)、传动件(9)、舵机盘(10)；其中滚筒体(5)安装于鱼前部上腔体(34)中并通过前部轴承(8)、后部轴承(2)与其配合；展开折叠结构(6)通过螺丝固定在滚筒体(5)侧面上，滚筒上盖(4)通过螺丝固定在滚筒体(5)上面，并留有槽供背鳍(1)、展开折叠结构(6)展开出来；背鳍(1)通过螺丝、螺母与垫片的组合安装在展开折叠结构(6)上；背部防水舵机(11)固定于鱼前部上腔体(34)中，滚筒体(5)通过传动件(9)、舵机盘(10)与背部防水舵机(11)的输出轴相连，背部防水舵机(11)带动滚筒体(5)往复摆动，使滚筒体(5)及与之固定的结构有不同的摆动幅度，最后带动背鳍往复摆动；上述展开折叠结构(6)主要包括电机(12)、电机传动杆(13)、螺母滑块(20)、固定杆(16)、随动杆(19)、n个相互平行的连杆，n为4至8的自然数；其中固定杆(16)通过螺丝、螺母与垫片的组合固定在滚筒体(5)上保持不动，n个连杆均通过螺丝与固定杆(16)、随动杆(19)连接，组成单自由度的多连杆机构；电机传动杆(13)一端与螺母滑块(20)相连，另一端与n个相互平行的连杆中的一个连杆相连；电机(12)上有螺纹杆，它与螺母滑块(20)中的螺母相配合，当电机(12)转动时带动螺母滑块(20)向前和向后移动，进而带动电机传动杆(13)移动，控制展开折叠结构(6)的展开与折叠，使展开折叠结构(6)有不同的展开折叠程度；上述尾鳍推进结构(b)共有m个关节，m为3至5的自然数，每个关节均包括关节上腔体、关节下腔体、关节防水舵机(25)；关节防水舵机(25)固定于关节下腔体中，关节上腔体与关节下腔体通过螺钉固定；关节下腔体的底端通过轴承与前一个关节的关节下腔体或前面的机器人结构相连；关节防水舵机(25)的舵机盘与前一个关节的关节上腔体顶端或者前面的机器人结构相连；尾鳍(21)通过螺丝与最后一个关节相连。2.根据权利要求1所述的背鳍和尾鳍协同推进的仿旗鱼机器人，其特征在于：上述重心调节装置(37)主要包括重心调节电机(40)、滑块(45)、螺母(43)、直线轴承(44)、光轴(46)、丝杠、配重箱(42)；其中螺母(43)和直线轴承(44)安装于滑块(45)中；滑块(45)通过直线轴承(44)安装于光轴(46)上；丝杆与重心调节电机(40)输出轴相连，丝杆与滑块(45)中的螺母(43)形成丝杆螺母副；配重箱(42)固定在滑块(45)上。3.根据权利要求1所述的背鳍和尾鳍协同推进的仿旗鱼机器人，其特征在于：锂电池(31)与配重片安装在鱼前部下腔体(30)的底部区域，以使重心降低；陀螺仪(33)固定在控制板(32)上，用于获得机器鱼游动时的姿态；红外避障传感器(36)安装在鱼前部下腔体(30)的前部区域，用于实时测量与障碍物的距离；摄像头(38)安装在鱼前部下腔体(30)的前侧腔室中，并有两个照明设备位于两侧，为机器鱼提供照明。
4.根据权利要求1所述的背鳍和尾鳍协同推进的仿旗鱼机器人，其特征在于：所述背鳍推进结构、尾鳍推进结构均留有防水航空插头的母头，而鱼前部分留有两个防水航空插头的公头，分别上述两者相对应。5.根据权利要求1所述的背鳍和尾鳍协同推进的仿旗鱼机器人的耦合运动方法，其特征在于包括以下过程：(一)背鳍展开折叠运动过程：当电机(12)转动时螺母滑块(20)向前或向后移动，带动展开折叠结构(6)展开或折叠；(二)背鳍和尾鳍协同运动过程：运动模式一为快速前进运动，在该运动模式下，展开折叠结构(6)完全折叠在机器人身体内，使背鳍折叠起来，由尾鳍推进结构(b)提供推力；由于背鳍被折叠起来，减小了机器人前进时的阻力，结合机器人流线型外形，使机器人获得高的推进速度；运动模式二为高机动运动，在该运动模式下，展开折叠结构(6)展开，背鳍与尾鳍的协调配合；背鳍展开时与尾鳍的协调配合有以下两种运动方式：运动方式2-1：当仿旗鱼机器人左转弯时，背鳍摆到身体左侧不动，尾鳍左右往复摆动或在偏右侧往复摆动；当仿旗鱼机器人右转弯时，背鳍摆到身体右侧不动，尾鳍左右往复摆动或在偏左侧往复摆动；以上两种情况，尾鳍提供推进力，背鳍均起到类似方向舵的作用，使转向更加快速、转弯半径更小；背部防水舵机(11)驱动背鳍的摆动，通过背部防水舵机(11)调节背鳍的摆动幅度，因此背鳍摆到身体左或右侧不动时，背鳍有多种不同的幅度对应的不动位置；展开折叠结构(6)调节背鳍的展开折叠程度，因此当背鳍展开时，背鳍拥有多种不同的展开折叠程度；这与尾鳍相协调配合，结合背鳍不动位置与展开折叠程度这两个参数，进行排列组合，形成更多种具体运动方式；这里偏左或右侧往复摆动是指往复摆动时的中轴线的位置偏左或右；运动方式2-2：当仿旗鱼机器人左转弯时，背鳍偏左侧往复摆动，尾鳍左右往复摆动或在偏右侧往复摆动；当仿旗鱼机器人右转弯时，背鳍偏右侧往复摆动，尾鳍左右往复摆动或在偏左侧往复摆动；以上两种情况，尾鳍提供主要推进力，背鳍提供少量推进力且兼备一定的类似方向舵的作用，使转向更加快速、转弯半径更小；背部防水舵机(11)驱动背鳍的摆动，通过背部防水舵机(11)调节背鳍的摆动幅度，背鳍有多种不同的摆动幅度；展开折叠结构(6)调节背鳍的展开折叠程度，因此当背鳍展开时，背鳍拥有多种不同的展开折叠程度；背鳍摆动的相位与尾鳍的摆动的相位存在差异时，形成不同的相位差；背鳍与尾鳍相协调配合，结合背鳍摆动幅度、展开折叠程度与相位差这三个参数，进行排列组合，形成更多种具体运动方式；(三)下潜运动与上浮运动过程：在该运动模式下，将尾鳍推进结构(b)与重心调节装置(37)相结合有以下两种运动方式：运动方式3-1：斜线下潜上浮运动，在该运动方式下，对于下潜运动，重心调节电机(40)转动使配重箱(42)向前运动，进而使机器鱼的头部下垂，接着尾鳍往复摆动使机器人朝前下方游动，最终完成下潜运动；对于上浮运动，重心调节电机(40)转动使配重箱(42)向后运动，进而使机器鱼的头部上仰，接着尾鳍往复摆动使机器人朝前上方游动，最终完成下上浮运动；
运动方式3-2：螺旋线下潜上浮运动，在该运动方式下，对于下潜运动，重心调节电机(40)转动使配重箱(42)向前运动，进而使机器鱼的头部不断下垂，同时尾鳍偏右或左侧往复摆动使机器人发生转向，最终完成下潜运动；尾鳍偏右侧往复摆动为逆时针螺旋下潜运动；尾鳍偏左侧往复摆动为顺时针螺旋下潜运动；对于上浮运动，重心调节电机(40)转动使配重箱(42)向后运动，进而使机器鱼的头部上仰，同时尾鳍偏右或左侧往复摆动使机器人发生转向，最终完成上浮运动；尾鳍偏右侧往复摆动为逆时针螺旋上浮运动；尾鳍偏左侧往复摆动为顺时针螺旋上浮运动。6.根据权利要求1所述的背鳍和尾鳍协同推进的仿旗鱼机器人的耦合运动方法，其特征在于包括以下过程：针对背鳍和尾鳍协同运动过程的运动模式二，即高机动运动，若记滚筒体(5)绕自身轴线摆动的角度为摆动幅度角，用α表示，α取值范围如下：α＝0、0＜α＜30
°
、α＝30
°
、30
°
＜α＜60
°
与α＝60
°
，分对应背鳍的摆动幅度为静止、小幅度摆动、中幅度摆动、大幅度摆动与完全摆动；若以展开折叠结构(6)的n个相互平行的连杆中最前端的连杆与仿旗鱼机器人的中轴线相组成的夹角为衡量标准，记为展开折叠角，用β表示，β取值范围如下：β＝0、0＜β＜30
°
、β＝30
°
、30
°
＜β＜60
°
与β＝60
°
，分对应背鳍(1)的展开程度为完全折叠、小部分展开、半展开、大部分展开与完全展开；背鳍与尾鳍摆动时存在的相位差，用表示，且l可被360
°
整除；针对运动模式二的运动方式2-1，当背鳍摆到身体左或右侧不动时，背鳍有四种不同的幅度对应的不动位置，即0＜α＜30
°
、α＝30
°
、30
°
＜α＜60
°
与α＝60
°
；当背鳍展开时，背鳍拥有四种不同的展开折叠程度，即0＜β＜30
°
、β＝30
°
、30
°
＜β＜60
°
与β＝60
°
，分别为小部分展开、半展开、大部分展开与完全展开，这均与尾鳍相协调配合，结合背鳍不动位置与展开折叠程度这两个参数，进行排列组合，共有4
×
4＝16种具体运动方式；针对运动模式二的运动方式2-2，当背鳍摆动时，背鳍拥有四种不同的幅度，即0＜α＜30
°
、α＝30
°
、30
°
＜α＜60
°
与α＝60
°
，分对应背鳍的摆动幅度为静止、小幅度摆动、中幅度摆动、大幅度摆动与完全摆动；背鳍展开时，背鳍拥有四种不同的展开折叠程度，即0＜β＜30
°
、β＝30
°
、30
°
＜β＜60
°
与β＝60
°
，分别为小部分展开、半展开、大部分展开与完全展开；背鳍摆动与尾鳍摆动存在的不同的相位差共有k个。背鳍与尾鳍相协调配合，结合背鳍摆动幅度、展开折叠程度与相位差这三个参数，进行排列组合，共有4
×4×
k＝16
·
k种具体运动方式，若l＝30
°
，则k＝12，即有4
×4×
12＝192种具体运动方式。

技术总结
本发明涉及一种背鳍与尾鳍协同推进的仿旗鱼机器人及其耦合运动方法，属于水下机器人技术领域。它由鱼前部分、背鳍推进结构以及尾鳍推进结构组成。鱼前部分主要包括鱼前部上腔体、鱼前部下腔体、重心调节装置、陀螺仪、红外避障传感器、摄像头、照明设备；背鳍推进结构主要包括背鳍、滚筒上盖、滚筒体、展开折叠结构、背部防水舵机；尾鳍推进结构共有M个关节，每个关节均包括关节上腔体、关节下腔体、关节防水舵机；该机器人的背鳍与尾鳍的协同运动，并通过背鳍与尾鳍的耦合运动提高机器人的游动速度以及机动性。可作为水下平台应用于生态观测、水下勘探、侦察等领域。侦察等领域。侦察等领域。


技术研发人员：俞志伟 李凯 胡光坤 吉爱红 郭策
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2023.01.29
技术公布日：2023/5/23